有120萬種變化的分子，僅需一個就能控制電阻！_風聞

近期研究人員實現了用一個分子製成壓敏電阻。

撰文 | 瞿立建

近日，上海大學與澳大利亞多所大學的研究人員合作，在納米級機電系統（NEMS）實現了一種單分子壓敏電阻[1]，通過對這一個分子施加不同大小的力，就能得到不同的電阻，即表現出壓阻效應。

壓阻效應與應用

壓阻效應，最早是由開爾文爵士（William Thomson）在1856年在金屬材料中發現的，表現為對其施加外力，其電阻率會發生變化。

利用壓阻效應做出的器件有着廣泛的應用。最常見的應用是智能手機內的加速度計，為我們實現計步功能；它也用於汽車感知外來的衝擊，觸發安全氣囊或防抱死制動系統。具有壓阻效應的材料還被開發成壓阻式壓力傳感器，當壓力變化時，電路輸出正比於壓力的信號，這就將機械力轉變為其他可測量的物理量。比如，在醫學領域用於測量血壓，在汽車工業領域用來測量汽車發動機中的油壓和氣壓。

壓阻式壓力傳感器。圖源：wiki

上海大學與澳洲聯合團隊如何發現單分子也可表現出壓阻效應？

首先要將單個分子連入一個電路，可是分子太小了，只有10納米左右，怎麼把這麼小的東西連入電路呢？

研究人員應用掃描隧道顯微鏡裂結技術（STM-BJ，可參閲Science 301, 1221–1223 (2003).）達成了目的。他們將掃描隧道顯微鏡（STM）探針改造為電極，另一電極為鍍金硅片；將探針電極反覆正向推進和反向提拉，使探針與硅片鍍金層基底之間不斷出現一個納米大小的間隔，碰巧目標分子進入這個納米間隔，連接上兩電極，即形成“結”，單分子電路接通，這樣就可以做相關測量了。[2]

STM-BJ技術示意圖。圖源：參考文獻[2]

有120萬種變化的分子

本次實現單分子壓阻效應的分子叫作瞬烯（Bullvalene，分子式 C10H10）。瞬烯，如同它的名字，是一種瞬息萬變的分子——碳原子之間一直在互相交換位置，不斷變換着結構，可以有多達120萬種結構。[3]

瞬烯分子的五種結構。瞬烯分子可以有多達120萬種結構。圖源：wiki

實驗原理如下圖所示。研究人員將瞬烯分子修飾上兩個芳香環基團，配好溶液。將STM探針靠近鍍金硅片，直至距離合適（0.7-1.5納米），等待分子進入探針與鍍金硅片之間的空隙，抓住分子上修飾的兩個環，此時電路接通。

然後，慢慢移動探針，拉伸或壓縮分子，同時測量電導率（即電阻率的倒數），發現電導率隨探針位置而變，即顯示出壓阻效應。

實驗原理示意圖。圖源：參考文獻[1]

電導率為什麼會變呢？

當分子被拉伸或壓縮後，即讓分子產生不同的形變，分子會呈現出不同的結構；我們把分子式相同，但結構不同的分子稱為異構體（Isomer）。不同的異構體有不同的電導率。異構體有兩種來源：構造異構體（constitutional isomerism）和構象異構體（conformational isomerism），前者來自原子的不同連接方式，即形成不同的化學鍵；後者來自原子在空間不同的分佈方式，這是由於化學鍵的旋轉。

對於這一結果，研究人員還進行了理論模擬，闡明瞭瞬烯的單分子壓阻效應的機制：構造異構體通過影響電子波的干涉來影響電導率，而構象異構體對電導率的影響來自分子與電極的相互作用。兩種異構體還會影響芳香環基團與電極的結合。

潛在應用

依靠單分子控制電阻，這一有趣工作有誘人的潛在應用。比如，可做成一種新型的壓敏電阻器，用於生物力學測量，研究亞細胞尺度上的力學問題[4]；有望用於檢測化學物質、蛋白質和酶等生物大分子，在技術上有可能應用於人機接口技術和健康檢測設備。[5]

此外，通過機械力在單分子水平上控制電導率，這一現象有可能用於構建分子電路，進而開發高度小型化（小至3-100平方納米）的設備。[6]

當然，從這項基礎研究到實現這些令人激動的應用，還有很長的路要走。最直接的一點是降低成本，擺脱昂貴的掃描隧道顯微鏡，開發出一種低成本的實驗平台。

參考文獻

[1] Reimers, J.R., Li, T., Birvé, A.P. et al. Controlling piezoresistance in single molecules through the isomerisation of bullvalenes. Nat Commun 14, 6089 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41674-z

[2] 物理化學學報, 2019, 35(8): 829-839 doi: 10.3866/PKU.WHXB201811027

[3] Molecule of the Week Archive, 2005-1-4, ACS, https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/b/bullvalene.html

[4] Norman, J., Mukundan, V., Bernstein, D. et al. Microsystems for Biomechanical Measurements. Pediatr Res 63, 576–583 (2008). https://doi.org/10.1203/PDR.0b013e31816b2ec4

[5] https://www.curtin.edu.au/news/media-release/electronic-sensor-the-size-of-a-single-molecule-a-potential-game-changer/

[6]Chem. Soc. Rev., 2014, 43,7378, https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2014/cs/c4cs00143e

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權説明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯繫後台。